基于SWAT软件的生态海绵城市优化设计评估的应用——以美国德克萨斯州哈里斯县区域为例

李 伟, 石 晛, 陈 睿, 王晓初

(沈阳大学 a. 建筑工程学院, b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

城市的发展增加了防渗路面的覆盖,城市的不透水路面造成了雨水问题.由于入渗受到阻碍,地表径流流量显著增加,减少了地下水补给,从而减少了基流量[1].大量的水污染物通过城市径流在不透水路面流动到附近的水体,因此我们有必要针对这些雨水问题采取措施.采用基于生态[2-3]理念的海绵城市是抵消城市化带来的不利影响的一种方法.有关生态海绵城市理念行为影响的研究一直很活跃,大多数研究已经证明了海绵城市对地表径流和污染物的负荷和减量有很大好处.本文研究的生态海绵城市做法就是通过模仿预先开发的美国德克萨斯州的水文状况,助力于生态海绵城市理念的施行和深入发展.

1 生态海绵城市原理及案例

1.1 施行生态海绵城市的有效性

施行海绵城市的有效性程度会受到各种因素的影响.一些研究指出,不同的海绵城市的做法取决于不同的设计.各种海绵城市规划和设计因素不同(例如类型,位置,面积等),可预期施行海绵城市的有效性也会有所不同.Endreny等[4]使用MODFLOW模型在美国纽约的城市居民区微调了生物保留区的分布,使其成组或单个单元,通过这样的空间布置,研究了地下水的补给和积蓄.当将生物保留区布置为单个单元时,地下水堆积最高,而当它们完全分布时,地下水堆积最低.Ahiablame等[5]证明可以通过实施多种渗透措施来克服不同城市类型之间的径流差异,从而确定渗透方式数量的影响.

尽管上述研究表明了需要针对海绵城市做法的正确分布和放置进行研究,但目前没有一项研究提供了根据位置和类型优化所需海绵城市面积的方法来满足目标径流和污染物的减少.

1.2 案例研究区

作为案例研究,本研究是在约350 hm2的小规模区域内进行的.其中包括德克萨斯州哈里斯县的临近市韦伯斯特和Friendswood的某些区域,该区域嵌套在Clear Creek流域内,位于Clear Creek的下游端(靠近出口),为受潮流影响的区域,该地区海拔高于平均海平面6～8 m.与其他地区相比,因为其受平坦的地形、低海拔和受潮汐的位置等地理特征的影响,河口地区通常存在洪水和未处理污染物的积累等更多的问题.

2 SWAT在海绵城市实践性上的应用

2.1 SWAT说明

土壤和水评估工具(SWAT)是美国农业研究局(USDA-ARS)开发的软件,已被广泛应用于处理来自不同流域的水的流量和质量的问题,其能力已通过实验验证.SWAT适用于从中小流域到大流域的模拟,还可以模拟长期和短期流量,甚至细分到以天和小时为单位的时间.由于SWAT是分布式模型,因此它可以将流域离散化为小盆地和较小的水文单位(HRU).SWAT具有基本的模型要素,如地表径流、入渗、地下水、蒸散和循环等.

2.2 SWAT技术构建思想

SWAT模拟过程可以在雨洪管理的规模上充分解释海绵城市采用的水文行为.在研究中将渗透性路面(PPs)、雨水花园(RGs)和雨水收集设施(RWHs)3种海绵城市措施纳入市区范围.3种做法均存储了一些市区产生的地表径流量,直至达到其容量,并排放了超出地表径流量的水.为了反映海绵城市做法的水文行为,根据McCuen方法对SWAT中的地表径流过程进行了修改,在研究中,将渗透措施存储的径流深度排除在后期开发的径流深度之外,以便计算出反映渗透措施的修正曲线数.该方法的思想已作为等式,并加入了地表径流优化过程.

Q1=Q2-Qval.

(1)

式中:Q1为采用海绵城市措施后的表面径流深度,mm;Q2为采用海绵城市措施之前的表面径流深度,mm;Qval为每种类型海绵城市措施的存储深度,mm.

在已开发的方程式下,SWAT有效地表示了PPs和RGs的水文行为.从式(1)中可以看出:①除PPs和RGs存储的水外,还计算了地表径流,并将PPs和RGs存储的水计入渗入土壤层的水量中;②与RGs和PPs不同,RWHs是不能直接将存储的水渗入土壤层的存储设施,故未计入渗入土壤层的水量中.因此,降水后雨水仓库中储存的水被有意地排出重新使用,至少连续7 d不再降水后,可将雨桶定义为空.在SWAT文件夹中包含一个允许输入海绵城市惯例的存储深度的文本文件,并对可以读取该文本文件的算法进行了编码.硝酸盐和总磷是径流传播的污染物,并与地表径流一起处理.

2.3 海绵城市优化条件

1) 每种海绵城市措施均有不同的设定.海绵城市所采用的PPs、RGs和RWHs是在城市化地区经常使用的建筑设施,安装空间很小,因此在文中假设3种海绵城市措施仅针对每个特定地点的雨水和相应的污染物负荷:PPs仅在商业区的停车场收集径流,仅由停车场产生污染物,并捕获从居民区产生的径流和污染物;RGs考虑当地污染源,选取适当的植物和结构,在接近道路等易有尘土、油污、化学物质的位置使用高耐受性的植物,并添加过滤带,防止污染物进入雨水花园;RWHs安装在屋顶下方,并收集径流,降雨期间仅从屋顶收集污染物.

2) 每种海绵城市措施都占据不同的领域.PPs总面积取决于设计数据的商业区域中显示的停车场面积的百分比.因此,将住宅区的20%(36.37 hm2)和8%(14.55 hm2)视为RWH和RGs的面积,并将商业区的47%(8.57 hm2)作为住宅区PPs的面积;RGs总面积是将集水区面积乘以基于RGs的土壤性质和深度的大小估算的,集水区适用于每个不包括总屋顶面积的住宅子流域,该程序的目的是排除RWHs处理的径流,本文RWHs仅处理屋顶的径流,屋顶面积即为RWHs的面积.通过在Google Earth中采样,从具有常规中等密度城市设计的类似社区中获取平均屋顶面积,并通过将平均屋顶面积乘以设计数据中给出的地块数量确定总屋顶面积.

3) 3种海绵城市措施都旨在保留不同的径流深度.PPs和RGs的最大存储深度被规定为降水量大小,1.5 in(38.1 mm)的降雨量代表的是85 h不间断降雨的深度.根据曲线数(CN)方法计算每个站点上1.5 in的降水量,作为最大存储深度.对于RWHs,假设使用100加仑(3 785.4 L)的雨水桶来处理屋顶的径流和污染物,将体积反向除以平均屋顶面积,估算出最大存储深度.土地使用情况被分为5个子流域,其中最重要的且在用的2个为居住区(第3第4流域),1个为商业区(第2流域),其余未被开发不予考虑.表1为海绵城市做法的最大面积和存储深度.

表1 海绵城市做法的最大面积和存储深度Table 1 Maximum area and storage depth of the sponge city approach

2.4 优化程序

为确保既能实现目标又能最低成本达到海绵城市的条件,尝试对所有变量进行逐步手动优化操作.需要考虑的海绵城市的条件包括类型、位置(子流域)和海绵城市的面积分配百分比.本文是考虑在100%分配条件下的海绵城市的每种类型和位置,确定处理减少单位面积所花费的成本,以便最终达到最小化改善实验目标的总成本.具体操作分为以下6个步骤.

1) 针对产生的5种情况运行SWAT模型.在本研究中,因设定RGs和RWHs仅分布在由2个子流域(第3流域和第4流域)组成的居民区中,PPs仅放置在由1个子流域(第2流域)组成的商业区中,并在指定的子流域中均考虑了每种海绵城市做法,因此,产生了以下5种情况:①子流域3的RGs;②子流域4的RGs;③子流域3的RWHs;④子流域4的RWHs;⑤子流域2的PPs.

2) 通过与不施行海绵城市的方案对比,调查每种100%分配下海绵城市的年度减少量.

3) 通过费用等式计算的每单位面积的年成本乘以每种方案的海绵城市总面积,估算每种方案下施行海绵城市做法的年成本.费用公式为

(2)

式中:Ct为设计寿命期间单位面积的年度成本;C0为单位面积的建筑成本;r为维护费用与建筑成本的比值;S为利率;t为基于日常维护的海绵城市实践的预期寿命.

4) 通过每年成本除以每种方案下的年度减少量计算单位面积减少的成本.对于每种方案获得不同的值,并且按照成本最低至成本最高的顺序对其重新排名.

5) 根据类型和位置进行优化,减少量一直要累积到达到目标的程度.

6) 根据海绵城市做法的分配百分比、单位面积减少的成本及年度减少量估算出每种方案的成本.

3 海绵城市效应结果分析

关于海绵城市所产生的效应结果,本研究应用了3个约束条件来探索海绵城市实践的有效性.

1) 最大限度地采用,意味着即使在现实中不可行,也可在给定的海绵城市区域中完全分配;

2) 中等限度地采用,意味着将对海绵城市可能的占用,限制在RGs和RWHs最多为75%,PPs最多为50%的情况下,因此,未通过最大采用率的分配百分比解决的减少量将会传递到下一个排名;

3) 最低限度地采用,要求所有措施的采用率均不宜低于20%.

根据预期的设计想法,设置了针对不同海绵城市设施所产生的5种方案,并且控制变量,使其互为对照组.硝酸盐是城市雨水带来的主要污染物之一,因此也对其进行了优化.

表2、表3分别在最大、中等和最小3种约束条件下优化了海绵城市类型、位置和分配百分比.

表2 不含硝酸盐的地表径流优化结构Table 2 Optimized structure of surface runoff without nitrate

表3 含有硝酸盐的地表径流优化结构Table 3 Optimization structure of surface runoff with nitrate

从优化结果可以看出,条件的各种组合可能会影响海绵城市措施实施的有效性.通过对目标方案的比较,可以观察到优化的海绵城市条件对海绵城市措施有效性的影响.

将表2优化结构数据输入到SWAT中得出结果进行分析:方案2比方案1子流域4的RGs面积多22.62%,在此子流域进行海绵城市措施的雨水有效性处理能力提高了13.55 mm;通过增加占用45.24%的RGs面积,使得方案3与方案1相比效率增加了100%;通过增加59.86%子流域4的RGs面积和9.99%子流域3的RGs面积,方案4与方案1相比效率增加了200%;方案5与方案1相比,通过将子流域4的RGs面积增加了59.86%,子流域3的RGs面积增加了38.28%,使得方案5的效率提高了300%.

当硝酸盐是主要变量时,将表3优化结构输入到SWAT中得出结果进行分析:方案4与方案1相比RGs增加了29.17%;方案2海绵城市雨水处理能力增加了18.6 kg.而添加的RGs面积比方案1多了58.34%时,方案3的效果则是提高了100%;此外,方案1进一步考虑了将子流域3中21.41%的RGs面积增加到57.30%的时候,使得处理效果增加了200%.在总磷情况下,由于方案2中子流域3的RGs面积比方案1多了27.61%,因此,方案2海绵城市措施的雨水处理能力增加了11.07 kg;与方案1相比,方案3面积百分比增加了31.04%,效果则是增加了100%.

4 结 论

1) 本文提出了通过优化发现的具有成本效益的海绵城市条件,并在雨洪管理规模上分析了海绵城市措施的有效性以及相应的成本.为了实现其有效性和成本效益,设置了5个方案,并针对类型、位置和分配百分比优化了海绵城市条件.本优化最终为研究雨洪管理的海绵城市规划提出了最具成本效益和最有效的指南.

2) 应最大程度地提高每种海绵城市设施的处理效果.因为收集的每个表面径流,成本收益都呈线性增加.因此,对于每一个施行海绵城市的做法,水管理者都需要集中精力最大化每个地块的径流量,以提高成本效益.